(57)【要約】【課題】  水が凍結してしまう低温下でも優れた起動性を示す燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  電解質中の電荷担体がプロトンである第１の燃料電池と、電解質中の電荷担体が陰イオンである第２の燃料電池を備え、さらに、前記第２の燃料電池の運転により発生した熱を前記第１の燃料電池の暖気に利用できる手段又は配置を有する燃料電池システムとする。さらに第２の燃料電池の発生する熱で、第１の燃料電池を暖機するメイン電池暖機手段を備えることで低温起動性と定常運転での高い発電効率を両立させる。【選択図】      図１
2006012550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質中の電荷担体がプロトンである第１の燃料電池と、電解質中の電荷担体が陰イオンである第２の燃料電池を備え、さらに、前記第２の燃料電池の運転により発生した熱を前記第１の燃料電池の暖気に利用できる手段又は配置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の燃料電池の発生する熱で、前記第１の燃料電池を暖機するメイン電池暖機手段を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記メイン電池暖機手段は、第２の燃料電池の発生する熱を伝達する流体回路及び／又は第２の燃料電池の出力により発熱するヒーターを有する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の燃料電池の状態が運転可能であるかどうかを観察するメイン電池観察手段を備え、
該メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記第１の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させ、
不可能であると判断した場合に、前記第２の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させる運転選択手段を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記運転選択手段が、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記第１の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させると共にさらに前記第２の燃料電池の出力を低下又はその運転を停止又はその運転停止状態を持続させ、且つ、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転不可能であると判断した場合に、前記第２の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させると共にさらに前記第１の燃料電池を停止、又はその運転停止状態を持続させる機能を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記運転選択手段が、前記第１の燃料電池の出力と前記第２の燃料電池の出力との合計がほぼ外部からの出力要求量となるように前記第１の燃料電池と第２の燃料電池の運転を同時に制御する運転出力制御手段をさらに備える請求項４又は５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の温度を測定するメイン電池温度測定手段及び／又は外気温を測定する外気温測定手段であって、
前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも高温であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも高温であると判断した場合に前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断し、
前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも低音であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも低音であると判断した場合に運転不可能であると判断する請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の温度を測定するメイン電池温度測定手段及び／又は外気温を測定する外気温測定手段及び時間計測手段を含んでなり、
前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも低音であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも低音であると判断した場合に運転不可能であると判断し、
前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも高温であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも高温であると判断した場合、或いは、前記メイン電池温度測定手段及び／又は外気温測定手段が運転不可能であると判断した場合であって且つ前記選択起動手段により前記第２の燃料電池が先に起動され第２の燃料電池の起動から所定時間が経過した場合に前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断する請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記運転選択手段が、前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池への燃料及び／又は酸化剤の供給量を増減させることで両電池の運転状態を制御する請求項４乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１の燃料電池が固体高分子型燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池又はリン酸型燃料電池のいずれかである請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第２の燃料電池が、固体酸化物型燃料電池、アルカリ型燃料電池、ボロハイドライドの溶液を燃料とするボロハイドライド型燃料電池または、陰イオン交換樹脂を電解質として用いた固体高分子型燃料電池のいずれかである請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第２の燃料電池の燃料がアルコールである請求項１１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主燃料電池と副燃料電池を備える燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、低温起動時に副燃料電池で先に発電し、その発電に伴う熱で主燃料電池を暖機してから主燃料電池を起動することで低温起動性を高めた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子型燃料電池は、電解質としてパーフルオロスルホン酸ポリマなどの固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、携帯用、移動体用電源として注目されている。
上記固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の片面にアノード(燃料極)、他面にカソード（酸化剤極）を配してなるセルを有し、前記アノードには燃料流路から燃料を、カソードには酸化剤流路から酸化剤を供給することによって発電を行う。
燃料として水素含有気体を用いた場合、アノードでは（１）式の反応が進行する。この時、（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。
【０００３】
【化１】
2006012550.tif 000003
【０００４】
この（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。このように、固体高分子型燃料電池においてはプロトンの電気浸透によるアノードからカソードへの移動には水がプロトンと水和して同伴する必要があるため、固体高分子型燃料電池の運転に際しては固体高分子電解質膜を湿潤状態しておく必要がある。そのために従来から、加湿水を燃料ガスや酸化剤ガスに供給することにより、前記電解質膜を湿潤状態に維持しながら運転する方法が多くとられている。
また、酸化剤として酸素含有気体を用いた場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
【０００５】
【化２】
2006012550.tif 000004
【０００６】
このように、カソードでは発電に伴って水が生成する。
以上のように、固体高分子型燃料電池の発電には水の移動、生成が必ず伴い、不可欠である。しかしながら、水は氷点下以下の温度で凍結するので、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムを低温下で放置した場合などには、その燃料電池内部の水が凍結してしまい、例えば、氷の析出による固体高分子電解質膜やその他の構成部品の劣化や破損、電極近傍での氷の析出によるガス透過性の低下、ガス流路での氷の析出による閉塞などの問題を引き起こす。
【０００７】
以上のような問題に対して、燃料電池の運転停止時における凍結を防止するために、燃料電池内の水を抜く方法及びシステム（例えば、特許文献１：特開平１１−２７３７０４号公報などに開示）やヒーターなどを用いて燃料電池の運転停止中においても加温しておく方法（例えば、特許文献２：特開平１１−２１４０２５号公報などに開示）などが提案されている。
ところが、上記の燃料電池内の水を抜く方法を採った場合でも、完全に水を排出することは困難であり、外気温が氷点下であるような環境下で残留している水が凍結することが考えられる。また、上記の燃料電池の運転停止中に加温する方法を採った場合は、加温のためのエネルギーを必要とするためにシステム全体としてのエネルギー効率が低下するという問題がある。加えて、この方法においては、加温するための装置が別途必要となるためにシステムが大型化してしまうという問題もある。
【０００８】
残留水分の凍結を抑制するために、これらの点を改善した燃料電池システムが提案されている（特許文献３：特開２００２−１８４４３７号公報）。この燃料電池システムでは、運転停止直前にアルコールなどの液体燃料をアノードに供給し、燃料電池内を湿潤させた後にシステムを停止することで、燃料電池の内部に凝固点の低い水溶性の有機燃料を含む水分を残留させ、外気温が氷点下である環境下においても凍結を起こし難くしている。
しかし、停止時の燃料電池本体及び外気が氷点下である場合、その燃料電池を起動すると、カソードで水が生成し、この生成水がカソード側に導入される外気によって凍結し、電極近傍及び／又は酸化剤ガス流路を塞いでしまうおそれがあった。
また、低温下での起動性を確保するために、燃料電池をヒーターを用いて或いは燃料を燃焼させ発生する熱を利用して暖めること（例えば、特許文献４：特開２００２−３１３３９１号公報或いは特許文献５：特開２００３−２１７６２９号公報などに開示）も提案されている。しかし、ヒーターを暖める補助電池の容量不足や、急激又は過度な加熱による燃料電池の耐久性の悪化が懸念されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献２】特開平１１−２１４０２５号公報
【特許文献３】特開２００２−１８４４３７号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３３９１号公報
【特許文献５】特開２００３−２１７６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は、電解質中の電荷担体が陰イオンである燃料電池ならば、上記の問題が起こりにくいであろうということを考えたが、現在までに知られているそのような燃料電池は全て発電効率が悪く、実用には適さなかった。
本発明は、水が凍結してしまう低温下でも優れた起動性を示す燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、電解質中の電荷担体がプロトンである第１の燃料電池と、電解質中の電荷担体が陰イオンである第２の燃料電池を備え、さらに、前記第２の燃料電池の運転により発生した熱を前記第１の燃料電池の暖気に利用できる手段又は配置を有することを特徴としている。
【００１２】
第１の燃料電池ではカソードで水が生成し、第２の燃料電池ではアノードで水が生成する。従って、外気温が低く、第１の燃料電池ではカソード側に導入される空気によって生成水が凍結し発電し難くなる場合でも、第２の燃料電池のカソード側には生成水が存在しないので生成水の凍結が起こり難い。従って、低温下でも第２の燃料電池を運転することで、燃料電池システムを起動することができ、さらに、第２の燃料電池の運転により発生した熱により第１の燃料電池を暖気できる。
【００１３】
好ましくは、前記第２の燃料電池の発生する熱で、前記第１の燃料電池を暖機するメイン電池暖機手段を備えることで、低温下でも第１燃料電池を効率良く暖気できる。
前記メイン電池暖機手段は、第２の燃料電池の発生する熱を伝達する流体回路及び／又は第２の燃料電池の出力により発熱するヒーターを有する形態とすることができる。
【００１４】
本発明の一実施形態として、前記第１の燃料電池の状態が運転可能であるかどうかを観察するメイン電池観察手段を備え、該メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記第１の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させ、
不可能であると判断した場合に、前記第２の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させる運転選択手段を備える燃料電池システムとしても良い。
この実施形態によれば、通常は第１の燃料電池を起動又は運転し、低温下などの起動又は運転不可能な時に、必要に応じて第２の燃料電池を起動又は運転する。
【００１５】
前記運転選択手段が、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記第１の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させると共にさらに前記第２の燃料電池の出力を低下又はその運転を停止又はその運転停止状態を持続させ、且つ、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転不可能であると判断した場合に、前記第２の燃料電池を起動又はその運転状態を持続させると共にさらに前記第１の燃料電池を停止、又はその運転停止状態を持続させる機能を有する実施形態としてもよい。また、この実施形態を発展させ、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断した場合に、前記運転選択手段が、前記第１の燃料電池の出力と前記第２の燃料電池の出力との合計がほぼ外部からの出力要求量となるように前記第１の燃料電池と第２の燃料電池の運転を同時に制御する運転出力制御手段をさらに備える燃料電池システムとしても良い。
これらの実施形態によれば、第１の燃料電池の運転状態に合わせて第２の燃料電池の運転状態を制御するので、第１燃料電池を主だった電源とした効率のよい運転が可能である。
【００１６】
また、他の実施形態として、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の温度を測定するメイン電池温度測定手段及び／又は外気温を測定する外気温測定手段であって、前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも高温であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも高温であると判断した場合に前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断し、前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも低音であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも低音であると判断した場合に運転不可能であると判断する燃料電池システムとしても良い。
この実施形態によれば、第１の燃料電池の運転可能性を、第１の燃料電池の温度、又は外気温から判断する。測定値が設定温度よりも高温であると判断した場合は、第１の燃料電池による効率の良い発電を行い、また、測定値が設定温度よりも低音であると判断した場合には第２の燃料電池を起動するので、発電効率が高く、且つ、低温起動性に優れる燃料システムとなる。
【００１７】
さらに他の実施形態として、前記メイン電池観察手段が前記第１の燃料電池の温度を測定するメイン電池温度測定手段及び／又は外気温を測定する外気温測定手段及び時間計測手段を含んでなり、
前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも低音であると判断した場合及び／又は起動時に外気温測定手段が外気温を設定温度よりも低音であると判断した場合に運転不可能であると判断し、前記メイン電池温度測定手段がその測定部位を設定温度よりも高温であると判断した場合及び／又は外気温測定手段が外気温を設定温度よりも高温であると判断した場合、或いは、前記メイン電池温度測定手段及び／又は外気温測定手段が運転不可能であると判断した場合であって且つ前記選択起動手段により前記第２の燃料電池が先に起動され第２の燃料電池の起動から所定時間が経過した場合に前記第１の燃料電池の状態を運転可能であると判断する燃料電池システムとしても良い。
【００１８】
この実施形態によれば、低温下での第１の燃料電池の運転可能性を、燃料電池システムの起動時からの経過時間に基づいて判断する。低温下では、先ず、第２の燃料電池を起動し、その後、第１燃料電池の暖機に必要十分な時間が経過したと判断してから第１の燃料電池を起動するので、低温起動性に優れ且つ、発電効率が高い燃料システムとなる。
【００１９】
以上の第１の燃料電池及び第２の燃料電池の制御は、前記運転選択手段により、前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池への燃料及び／又は酸化剤の供給量を増減させることで制御することが好ましい。
【００２０】
前記第１の燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池又はリン酸型燃料電池のいずれかであることが好ましい。
前記第２の燃料電池としては、固体酸化物型燃料電池、アルカリ型燃料電池、ボロハイドライドの溶液を燃料とするボロハイドライド型燃料電池または、陰イオン交換樹脂を電解質として用いた固体高分子型燃料電池のいずれかであることが好ましい。
前記第２の燃料電池の燃料をアルコールとすることで、第２の燃料電池の低温起動性をより確実なものとすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、電解質中の電荷担体がプロトンである第１の燃料電池と、電解質中の電荷担体が酸素イオン、水酸化物イオン、炭酸イオンなどの陰イオンである第２の燃料電池を備えるので、低温下でも第２の燃料電池を起動することで燃料電池システムを起動することができる。さらに、前記第２の燃料電池の発生する熱で、前記第１の燃料電池を暖機することで、低温下でも第１燃料電池を起動できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
図１において、燃料電池システム１は、第１燃料電池１０、第２燃料電池２０、メタノールタンク３１、メタノール水溶液タンク３２、メタノール濃度検出制御装置３３、冷却水タンク４１、ラジエター４２、水溜め４３、温度測定装置５０、水素ガスタンク６０、及び制御回路１００を主な要素とし、各種送液ポンプ３４、３５、４４、各種バルブ４５、４６、４７、６１、それらをつなぐ配管等を含んで構成されている。
【００２３】
（第１燃料電池）
前記第１燃料電池１０は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸（登録商標ナフィオン、DuPont 社製）などのプロトンを電解質膜中の電荷移動担体とする固体高分子電解質膜の表面にカソードとアノードが配された膜・電極接合体１１と、前記カソードに対向するように酸化剤流路を備えたカソード側基板１２と、前記アノードに対向するように燃料流路を備えたアノード側基板１３とからなるセル１４を備えている。図１には図の簡略化のために一つのセル１４しか示していないが、本来、複数のセル１４が直列に接続されて燃料電池スタックを形成している。また、該燃料電池スタックには、図１に示したように、温度制御のための水が流される水流路１５が設けられている。
【００２４】
この第１燃料電池１０は、水素ガスを燃料とし、空気を酸化剤としており、前記アノード側基板１３の燃料流路には運転時には水素ガスバルブ６１が開状態とされることによって水素ガスタンク６０から水素が供給され、カソード側基板１２の酸化剤流路には図示しないコンプレッサーにより燃料電池外部から空気（外気）が導入される。第１燃料電池１０では、アノードに水素ガスが供給されカソードに空気が供給された時に、前記アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過して前記カソードまで移動し、該カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。従って、発電に伴う水の生成はカソード側で起こる。
【００２５】
上記第１燃料電池１０においては、セル１４の温度が低いとカソード側で生成水が凍結してしまい、前記膜・電極接合体１１上のガスの導入経路や前記酸化剤流路を塞ぐことがある。また、そのカソード側基板１２の酸化剤流路に導入される空気の温度が低い場合にも生成水が凍結しやすく、前記ガスの導入経路や酸化剤流路の閉塞が起こりやすい。従って、第１燃料電池１０は、低温下では起動させ難い。
【００２６】
（第２燃料電池）
前記第２固体高分子型燃料電池２０は、例えばセレミオンなどの水酸化物イオンを電荷移動担体とする固体高分子電解質膜の表面にカソードとアノードが配された膜・電極接合体２１と、前記カソードに対向するように酸化剤流路を備えたカソード側基板２２と、前記アノードに対向するように燃料流路を備えたアノード側基板２３とからなるセル２４を備えている。第１燃料電池１０と同様に図１には一つのセル２４しか示していないが、本来、複数のセル２４が直列に接続されて燃料電池スタックを形成している。また、該燃料電池スタックには、温度制御のための水が流される水流路２５が設けられている。
【００２７】
図示しないが、第２燃料電池２０には、モータ、オーディオなどの負荷の他に、第１燃料電池１０を暖機するためのヒーターがスイッチを介して電気的に接続され、暖気手段の一部を構成する。このヒーターは、その周囲が耐熱性の絶縁体で覆われた一般的なニクロム線である。そして、前記第１燃料電池スタックの周囲に密着して巻かれ、前記第２燃料電池２０との電気的接続状態は、制御回路１００からの制御信号によるスイッチのオン・オフで制御されている。
なお、ヒーターはニクロム線に限らず多くのものが使用できる。また、ヒーターの配置は、燃料電池スタックを巻くことに限られず、例えば、燃料電池スタック中に配設したりしてもよい。
【００２８】
この第２燃料電池２０は、メタノール水溶液を燃料とし、空気を酸化剤としており、運転時には前記アノード側基板２３の燃料流路には制御回路１００による制御で駆動されるメタノール燃料送液ポンプ３５を駆動力源として、メタノール水溶液タンク３２からメタノール水溶液が供給され、カソード側基板２２の酸化剤流路には図示しないコンプレッサーにより燃料電池外部から空気（外気）が導入される。第２燃料電池２０では、アノードにメタノール水溶液が供給されカソードに空気が供給された時に、前記カソードで触媒反応により発生した水酸化物イオンが、固体高分子電解質膜を透過して前記アノードまで移動し、該アノードでメタノールと電気化学反応を起こして発電するようになっている。従って、発電に伴う水の生成はカソード側で起こらずアノード側で起こる。
【００２９】
このように、第２燃料電池２０では、燃料としてメタノールが導入されるアノード側で生成水が生じる。そして、生成水は燃料であるメタノール水溶液中に溶解、拡散していくので、第２燃料電池２０では生成水の凍結の起こる恐れが非常に少ない。従って、第２燃料電池２０は低温起動性に優れたものである。
【００３０】
（メタノール燃料供給系）
前記メタノール水溶液タンク３２には、第２燃料電池２０の燃料であるメタノール水溶液の濃度をほぼ一定に保つために、メタノール送液ポンプ３４を介してメタノールタンク３１が接続され、さらにメタノール濃度検出制御装置３３が取り付けられている。
メタノールタンク３１は外部から補給される高濃度且つ規定濃度のメタノールを蓄えている。メタノール送液ポンプ３４は逆止弁付のポンプであって、スイッチがオンの状態の時にメタノールタンク３１のメタノールをメタノール水溶液タンク３２に送りだす。そして、メタノール濃度検出制御装置３３は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路とメタノール濃度を測定するメタノール濃度測定プローブとを含んで構成されており、該メタノール濃度測定プローブはメタノール水溶液タンク３２中に挿入されている。そして、メタノール送液ポンプ３４に電気的に接続されており、メタノール濃度測定プローブによるメタノール濃度測定値に応じて、該ポンプ３４のオン−オフを制御する。なお、濃度検出制御装置３３のマイクロコンピュータ部分は後述する制御回路１００に含まれていても良い。
【００３１】
（メタノール濃度調整制御動作）
図２に、メタノール濃度検出制御装置３３が所定測定時間ごとに行うメタノール濃度調整制御動作をフローチャートとして示した。所定測定時間は特に定められるものではないが、本実施形態では、０．５秒ごととした。なお、メタノール送液ポンプ３４の送液量は、第２燃料電池２０の出力サイズとともに、この所定測定時間を考慮して、メタノール水溶液の濃度のブレが小幅になるように決定することが好ましい。
【００３２】
先ず、メタノール濃度検出制御装置３３は、メタノール濃度測定プローブから出力されるメタノール水溶液タンク３２中のメタノール濃度測定結果（Ｃ１）を電気信号として読み込む（ステップＳ１００）。
次に、測定したメタノール濃度（Ｃ１）が、予めメタノール濃度検出制御装置３３が記憶している所定メタノール濃度（Ｃ２）よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この所定メタノール濃度の決め方については後述する。
ステップＳ１０１で、測定したメタノール濃度（Ｃ１）が所定メタノール濃度（Ｃ２）を超えていると判定された場合、ステップＳ１０３に進み、メタノール供給ポンプ３４をオフにする濃度制御信号を出力する。
【００３３】
ステップＳ１０１で、測定したメタノール濃度（Ｃ１）が所定メタノール濃度（Ｃ２）未満であると判定された場合、ステップＳ１０２に進み、メタノール供給ポンプ３４をオンにする濃度制御信号を出力する。そして、ステップＳ１００に戻り、メタノール濃度（Ｃ１）が所定メタノール濃度（Ｃ２）以上になるまで、ステップＳ１００〜Ｓ１０２を繰り返す。やがてメタノール濃度（Ｃ１）が所定メタノール濃度（Ｃ２）以上になると、ステップＳ１０１で高濃度であると判定されステップＳ１０３に進み、メタノール供給ポンプ３４をオフにしてメタノール濃度調整制御動作を終了する。
【００３４】
以上のように、メタノール濃度調整制御動作では、メタノール濃度を随時測定し、その濃度が所定メタノール濃度以下の時は所定メタノール濃度以上になるまでメタノールを供給し、メタノール濃度が所定メタノール濃度以上になった時点でメタノールの供給を終了することで、燃料であるメタノール水溶液の濃度を調整する。メタノール濃度が所定メタノール濃度を越えた時点ですぐにメタノールポンプをオフにするので、メタノール濃度の変動幅は小幅なものになる。
【００３５】
（所定メタノール濃度）
次に、メタノール水溶液タンク３２のメタノール濃度と比べる所定メタノール濃度について説明する。
本発明において所定メタノール濃度とは、燃料電池としての十分な発電が可能であると共に、低温域でメタノール水溶液の凍結が起こらないメタノール濃度であって、図３に示したメタノール水溶液の濃度とその凝固点とのグラフを元に決定され、メタノール濃度検出制御装置３３に記憶させた値である。
【００３６】
本発明では０℃以下を低温としている。そのため、図３から解るように所定メタノール濃度は特には規定されないが、寒冷地での使用を考えると、−１０℃以下、より好ましくは−２０℃以下、さらに好ましくは−３０℃以下、いっそう好ましくは−４０℃以下、さらに好ましくは−５０℃以下、最も好ましくは−６０℃以下の低温下でも発電可能である方がよいので、好ましい所定メタノール濃度は１８％以上、より好ましくは３０％以上、さらに好ましくは４０％以上、いっそう好ましくは４８％以上、さらに好ましくは５５％以上、最も好ましくは６５％以上である。
【００３７】
前述したように、第２燃料電池２０は発電に伴う生成水がアノードで生じるものであり、さらにアノードに供給される燃料をメタノール水溶液としているのみならず、上述のように、該メタノール水溶液の濃度が低温でも凝固しないように常に調整されているので、この第２燃料電池２０は低温起動性に優れたものとなっている。
【００３８】
（熱交換流体回路）
次に本実施形態の熱交換流体回路について説明する。本実施形態では、第１及び第２燃料電池の加熱防止のための冷却を行う冷却水回路４０と、第１及び第２燃料電池の暖気を行う加熱水回路７０が一体化した熱交換流体回路を備える。
熱交換流体回路に含まれる加熱水回路７０は、前記ヒータと共に、本第一実施形態でのメイン電池暖気手段を構成する。なお、本発明においては、暖気を効率よく行うためにヒータや加熱水回路のように積極的に加熱を行う１又は２以上の手段からなるメイン電池暖気手段を備えることが好ましいが、第２燃料電池の運転により発生した余熱により第１燃料電池を加熱可能な位置関係となるように、第１及び第２燃料電池を配置するだけでも良い。
【００３９】
（冷却水回路）
次に本実施形態の冷却水回路４０について説明する。本実施形態では、配管によって接続されている前記水冷却タンク４１、前記ラジエター４２、前記第１燃料電池１０の水流路１５及び第２燃料電池２０の水流路２５と、配管の途中に配設された第１バルブ４５、第２バルブ４６、第３バルブ４７、冷却水送液ポンプ４４と水溜め４３が主要構成要素となって冷却水回路４０を形成している。後述するが、この冷却水路回路４０の一部は第１燃料電池１０を暖機するメイン電池暖機手段でもある。ただし、本実施形態での冷却水とは水に限らず公知の任意のクーラント液を意味する。
前記冷却水タンク４１は前記第１及び／又は第２燃料電池１０、２０を冷却する冷却水のためのタンクであり、前記ラジエター４２は自然送風あるいはファンによる強制送風で冷却水から熱を奪い冷却する空冷式熱交換器である。
【００４０】
第１バルブ４５は冷却水タンク４１と第２燃料電池２０の水流路２５の間に配設され、第２バルブ４６はラジエター４２と第１燃料電池１０の水流路１５との間に配設され、第３バルブ４７は第１バルブ４５と第２燃料電池２０の水流路２５の間の配管と、第２バルブ４６と第１燃料電池１０の水流路１５との間の配管とを連結する配管上に設けられている。これらの第１、第２及び第３バルブ４５、４６、４７は、制御回路１００からの電気信号によってその開閉状態が制御される。冷却水回路４０を形成する時は、第１及び第２バルブ４５、４６が開状態とされ、第３バルブ４７は閉状態とされる。
【００４１】
前記水溜め４３と前記冷却水送液ポンプ４４は、前記第２の燃料電池２０と第１の燃料電池１０の間に配設されている。この送液ポンプ４４は冷却水回路４０内の冷却水を循環させるためのポンプであり、制御回路１００からの電気信号によってその運転状態が制御されている。
以上の冷却水回路４０中では、冷却水タンク４１中の冷却水は、第１バルブ４５、第２燃料電池２０の水流路２５へと冷却水送液ポンプ４４によって送液され、次に水溜め４３、第１燃料電池１０の水流路１５へと送られ、ラジエター４２で空冷されて、冷却水タンク４１に戻される。
【００４２】
（加熱水回路）
そして、前記第１、第２バルブ４５、４６を閉状態とし第３バルブ４７を開状態とした時に、前記第１燃料電池１０の水流路１５、第２燃料電池２０の水流路２５、水溜め４３、及び冷却水送液ポンプ４４が主要構成要素となって加熱水回路７０を形成する。前記水溜め４３は、この加熱水回路７０中の水の量を調節するために設けられており、前記冷却水タンク４１より小型のものである。
本実施形態のメイン電池暖機手段は、前記加熱水回路７０及び前記ヒーターを含む電気回路、ソフトウェアとしての制御回路１００による制御とから成る。このメイン電池暖機手段の主要構成要素である加熱水回路７０はラジエターを含んでいないので、外部から奪われる熱量が少なく、第２燃料電池２０の発生する熱を利用して効率よく第１燃料電池１０を暖機できる。
【００４３】
（温度測定装置）
温度測定装置５０は、２つの熱電対５１、５２を備え、それらの熱電対５１、５２の電圧変化を感知する電子回路を主要構成要素としており、一方の熱電対５２が燃料電池外部に取り付けられ外気温を観察し、他方の熱電対５１が第１燃料電池１０のセル１４の一部に取り付けられ、それらの測定温度結果を電気信号として制御回路１００へと出力するものである。本実施形態でのメイン電池観察手段は、ハードウェアとしての温度測定装置５０と、ソフトウェアとしての前記電子回路及び前記制御回路１００による制御とから成っている。なお、温度測定装置５０の電子回路は前記制御回路１００の一部であってもよい。
【００４４】
（制御回路）
前記制御回路１００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要なプログラムやデータ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、前記温度測定装置５０などの各種センサからの出力信号や検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて各種電子装置に信号を出力する入出力ポート等を備える。
【００４５】
例えば、前記温度測定装置５０から入力された温度測定結果に基づいて、前記水素ガスバルブ６１、第１、第２及び第３バルブ４５、４６、４７の開閉状態とメタノール燃料送液ポンプ３５などの運転状態を制御する。また、外気温が低温か高温であるかを判断する基準の所定外気温として０℃がＲＯＭに格納され、さらに、セル温度が低温であるかどうかを判断する基準の所定セル温度として１０℃、第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）及び第２燃料電池２０の最大出力電力（Ａ２）なども格納されている。この制御回路１００と、該制御回路１００による各種バルブ４５〜４７、６１及び各種送液ポンプ３４、３５、４４の制御が、本実施形態の運転出力制御手段を含む運転選択手段を構成している。
【００４６】
（制御動作、メインルーチン）
以上のように構成されている第１実施形態の燃料電池システム１の動作制御について図４に示したフローチャート（メインルーチン）を元に次に説明する。
起動前は、水素ガスバルブは閉状態で、メタノール燃料送液ポンプ３５は停止している。また、本実施形態では図示しない２次電池により、冷却水送液ポンプ４４は燃料電池システム１の起動と同時に起動される。
【００４７】
先ず使用者により起動信号が制御回路１００に入力されると、制御回路１００は温度測定装置５０からの外気温測定結果（Ｔ１）を電気信号として読み込む（ステップＳ２００）。
次に制御回路１００は、この入力された外気温（Ｔ１）と、制御回路１００自身が記憶している所定外気温である０℃とを比べる（ステップＳ２０１）。所定外気温とは本発明の低温の基準となる温度であって、本実施形態では０℃とした。
【００４８】
ステップＳ２０１で外気温が０℃を超えていると判定すると、制御回路１００は運転出力制御ルーチン（Ｓ２０２）を実行する。この運転出力制御ルーチンは、定常運転モードであって、主に第１燃料電池１０を主電源とし、第２燃料電池２０は補助電源とする運転モードである。
ステップＳ２０１で外気温が０℃以下であると判定すると、制御回路１００は低温起動ルーチン（Ｓ２０３）を実行する。この低温起動ルーチンは、第２燃料電池２０のみを電源とし、該第２燃料電池２０が発生する熱を利用して第１燃料電池１０を暖機する運転モードである。
【００４９】
ステップＳ２０３の低温起動ルーチンを終えるとステップＳ２０４に進み、温度測定装置５０からの第１燃料電池１０のセル温度測定結果（Ｔ２）を電気信号として読み込む。続くステップＳ２０５でセル１４の温度が所定セル温度（１０℃）以下であると判定されると再度ステップＳ２０３の低温起動ルーチンに戻り、セル１４の温度が１０℃を超えていると判定されるとステップＳ２０２の運転出力制御ルーチン、即ち、定常運転モードを実行する。
【００５０】
即ち、以上のメインルーチンでは、起動時の外気温が予め設定された温度よりも高温である（０℃を越えている）場合は定常運転を行い（Ｓ２０２）、外気温が予め設定された温度よりも低温である（０℃以下である）場合には第１燃料電池１０のセル温度が高温（１０℃超）になるまで低温起動ルーチンを行ってから（Ｓ２０３〜Ｓ２０５）、定常運転を行う（Ｓ２０２）。
【００５１】
以上の制御動作において、制御回路１００と温度測定装置５０は外気温と第１燃料電池１０を観察しその運転の可否を判断するメイン電池観察手段であり、また、制御回路１００は第１燃料電池１０又は第２燃料電池２０を起動させる運転選択手段でもある。
なお、本実施形態ではセルの温度が低温であるか否かの基準の温度である所定セル温度を１０℃としたが任意の温度でよい。
【００５２】
（運転出力制御ルーチン）
図５は、定常運転モードにおいて、即ち図４中のステップＳ２０２の運転出力制御ルーチンで、制御回路１００が行う制御動作を示すフローチャートである。
制御回路１００は、ステップＳ３００で、第１及び第２バルブ４５、４６を開状態とし、第３バルブ４７を閉状態とすることによって、図１に示した冷却水タンク４１、第２燃料電池水流路２５、冷却水送液ポンプ４４、水溜め４３、第１燃料電池水流路１５及びラジエター４２を含んでなる冷却水回路４０を形成する。
【００５３】
続くステップＳ３０１で、出力要求電力（Ｂ１）を設定する。この出力要求電力は、使用者によるアクセルの操作量、及びエアコン、ライトなどのその他の電気負荷の運転に必要な電力量を元に制御回路１００が決定する。なお、出力要求電力（Ｂ１）の最大値として、第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）と第２燃料電池２０の最大出力電力（Ａ２）の和よりもやや小さい値が制御回路１００に記憶され、本来必要とされる出力電力がそれ以上の場合であっても、個々の最大出力電力（Ａ１、Ａ２）は一定値以下に制限されている。
【００５４】
ステップＳ３０２では、その出力要求電力（Ｂ１）が第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）以下であるか否かの判定を行う。
出力要求電力（Ｂ１）が第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）以下の場合、ステップＳ３０３に進み、第１燃料電池１０の出力電力を出力要求電力どおりのＢ１に設定し、そのＢ１に基づいて水素ガスバルブ６１の適切な開度を設定し、ステップＳ３０４で第２燃料電池２０の出力電力を０（ゼロ）とし、メタノール燃料送液ポンプ３５の送液量を０（ゼロ）に設定する。
【００５５】
次のステップＳ３０５では、ステップＳ３０３及びＳ３０４で設定した水素ガスバルブ６１の開度及びメタノール燃料送液ポンプ３５の送液量に基づいて、開度制御信号を水素ガスバルブ６１に、送液量制御信号をメタノール燃料送液ポンプ３５にそれぞれ出力する。
即ち、出力要求電力（Ｂ１）が、第１燃料電池１０単体で賄える範囲の電力である場合は、上記ステップＳ３０３とＳ３０４により、第１燃料電池１０のみを運転状態とするように設定し、ステップＳ３０５で要求された電力を出力するのに適切なだけ水素ガスバルブ６１を開けることで、第１燃料電池１０のみで全ての電力を賄う。
【００５６】
一方、出力要求電力（Ｂ１）が第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）より大きい場合、ステップＳ３０６に進み、第１燃料電池１０の出力電力を最大出力電力のＡ１に設定し、そのＡ１に基づいて水素ガスバルブ６１の適切な開度を設定し、ステップＳ３０７で第２燃料電池２０の出力電力を（Ｂ１−Ａ１）とし、その（Ｂ１−Ａ１）に基づいてメタノール燃料送液ポンプ３５の適切な送液量を設定する。
【００５７】
次のステップＳ３０５では、ステップＳ３０６及びＳ３０７で設定した水素ガスバルブ６１の開度及びメタノール燃料送液ポンプ３５の送液量に基づいて、開度制御信号及び送液量制御信号を水素ガスバルブ６１及びメタノール燃料送液ポンプ３５に出力する。
即ち、出力要求電力（Ｂ１）が、第１燃料電池１０単体では供給不可能なほど大きい場合、制御回路１００は、上記ステップＳ３０６で第１燃料電池１０を最大出力運転状態とするように設定し、電力値Ａ１が得られるように水素ガスバルブ６１の開度を調節し、且つ、ステップＳ３０７でステップＳ３０１で要求された電力と第１燃料電池１０の最大出力電力（Ａ１）との差の分だけ第２燃料電池２０で発電するように設定し、電力値（Ｂ１−Ａ１）が得られるようにメタノール燃料送液ポンプ３５の送液量を調節することで電力を賄う。
【００５８】
以上の運転出力制御ルーチンでは、制御回路１００は、第１燃料電池１０と第２燃料電池２０の出力の合計が燃料電池システムに要求される要求電力と等しくなるように両電池１０、２０を同時に制御する出力制御手段でもある。
【００５９】
（低温起動ルーチン）
次に図４のステップＳ２０１において、外気温（Ｔ１）が０℃以下、即ち予め設定された温度よりも低温であると判定された場合に実効される低温起動ルーチンについて、図６のフローチャートを参照しながら説明する。
制御回路１００は、ステップＳ４００で、第１及び第２バルブ４５、４６を閉状態とし、第３バルブ４７を開状態とすることによって、図１に示した第２燃料電池水流路２５、水溜め４３、冷却水送液ポンプ４４、及び第１燃料電池流路１５を主要部とする加熱水回路７０を形成する。
【００６０】
次にステップＳ４０１で第１燃料電池１０の出力を０（ゼロ）に設定し、水素ガスバルブ６１が閉状態となるように、開閉制御信号を出力する。
続くステップＳ４０２で第２燃料電池２０の出力をその最大出力であるＡ２に設定し、そのＡ２に基づいてメタノール燃料送液ポンプ３５の適切な送液量を設定し、その設定した送液量に基づいた送液量制御信号を出力する。
【００６１】
ステップＳ４０３では、出力要求電力（Ｂ１）を設定し、ステップＳ４０４でその出力要求電力（Ｂ１）と第２燃料電池２０の最大出力電力（Ａ２）とを比較する。
ステップＳ４０４で出力要求電力（Ｂ１）が第２燃料電池２０の最大出力電力（Ａ２）よりも小さいと判定された場合、ステップＳ４０５に進み、ヒーターを除く負荷への出力電力を出力要求電力どおりのＢ１に設定し、ステップＳ４０６でヒーターへの出力電力を（Ａ２−Ｂ１）に設定する。
【００６２】
一方、ステップＳ４０４で出力要求電力（Ｂ１）が第２燃料電池２０の最大出力電力（Ａ２）よりも大きいと判定された場合、ステップＳ４０８に進み、ヒーターを除く負荷への出力をＡ２に設定し、ヒーターへの出力を０（ゼロ）と設定する。
このようにして設定された電力配分量に従って、ステップＳ４０７で各種装置に制御信号を出力する。
【００６３】
以上のように、起動時に外気温が０℃以下である場合に行われる低温起動ルーチンでは、制御回路１００は、先ず第１燃料電池水流路１５及び第２燃料電池水流路２５を一部として含み且つラジエター４２を含まない加熱水流路７０を形成し（Ｓ４００）、次に第２燃料電池２０のみを起動する（Ｓ４０１、Ｓ４０２）。第２燃料電池２０が起動し発電することにより、第２燃料電池２０自身が発熱する。この発熱により加熱水回路７０中の水が温められる。そして、温められた水は冷却水送液ポンプ４４により第１燃料電池１０の水流路１５に流され、第１燃料電池１０を暖機する。従って、第２燃料電池２０の発電に伴って発生した熱で第１燃料電池１０を暖めることができる。また、第２燃料電池２０の出力電力が余剰である時は第１燃料電池１０に巻いたヒーターに余剰分の電力を供給し（Ｓ４０５、Ｓ４０６）、第１燃料電池１０をさらに高速で暖機する。
【００６４】
この低温起動ルーチン後、制御回路１００は、図４に示したステップＳ２０４で第１燃料電池１０のセル温度を読み込み、続くステップＳ２０５で所定セル温度（１０℃）と比較する。セル温度が１０℃以下の場合は、ステップＳ２０３の低温起動ルーチンに戻るので、上述した第１燃料電池１０の暖機は、第１燃料電池１０が発電可能となるまで（本実施形態ではセル温度が１０℃を超えるまで）暖められるまで継続される。
この時、水溜め４３が、第２燃料電池２０が適度に冷やされ且つ第１燃料電池１０が暖められるのに充分な量の冷却水を確保しているので、第１燃料電池１０が充分に暖機される前に、第２燃料電池２０の温度が上昇しすぎて発電不能になることはない。
以上の前記加熱水回路７０、ヒーター及び制御回路１００の低温起動ルーチンによるそれらの制御が本実施形態のメイン電池暖機手段である。
【００６５】
（第１実施形態の効果）
以上説明してきたように、本第１実施形態に係る燃料電池システム１では、定常運転時には第１燃料電池１０をメイン電池とし第２燃料電池２０を補助的に使用する一方、例えば外気温が０℃以下である場合などの設定温度よりも低温下での起動時には低温起動性に優れる第２燃料電池２０のみを起動し、該第２燃料電池２０が発生する熱を利用して第１燃料電池１０を暖機して、該第１燃料電池１０を運転可能となるまで暖めてから定常運転を開始する。従って、低温下でも起動性の良い燃料電池システム１を提供することができる。
【００６６】
（変形例）
第１実施形態では、第１燃料電池１０が固体高分子型燃料電池である例を示したが、電解質中の電荷担体がプロトンである燃料電池ならば、いかなるものでもよい。そのような燃料電池としては、例えば、リン酸型燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池などが挙げられる。
【００６７】
また、第２燃料電池２０が水酸化物イオンを電荷担体とする固体高分子型燃料電池である例を示したが、電解質中の電荷担体が水酸化物イオン、酸素イオン、炭酸イオンなどの陰イオンである燃料電池ならばなんでもよい。そのような燃料電池としては、例えば、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、電解質を陰イオン交換膜又はアルカリ溶液とするボロハイドライド燃料電池などが挙げられる。
【００６８】
また、第１燃料電池１０の燃料が純水素である例を示したが、メタノール改質水素ガス、炭化水素改質ガスなどの水素含有ガスでも良く、適用する燃料電池によっては、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンやデカリンなどの炭化水素類などでもよい。
【００６９】
また、第２燃料電池２０の燃料としては、メタノールの他に、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類を使用することもできる。ただし、凝固点が低く且つ水との相溶性に優れた液体が好ましいので、メタノール、エタノールなどの低級アルコールが適している。また、適用する燃料電池によってはボロハイドライド水溶液を利用することもでき、また、各種アルコール、シクロヘキサン、デカリンなどの各種炭化水素類など有機化合物を含む各種燃料を加熱処理を含む工程により改質した改質ガスを用いることも可能である。加熱処理して得られる改質ガスは、第２燃料電池２０のカソードで生成する生成水の凍結を防ぐ効果が高い。
【００７０】
さらに、本実施形態では、第２燃料電池２０を移動体の駆動力としても使用しつつ、主としては発電に伴う熱で水を加熱して間接的に第１燃料電池１０を暖機しているが、第１燃料電池１０の暖機のみに使用するようにしてもよい。
また、本実施形態では、外気温が低温であるか否かの判断の基準（所定外気温）として、０℃を採用したが０℃に限られず、任意に決定すれば良い。例えば、５℃、１０℃、１５℃、−５℃、−１０℃、−１５℃などを基準としてもよい。
【００７１】
また、本実施形態ではメイン電池観察手段の一つとして、第１燃料電池１０本体の温度をセル温度から判断する例を示したが、燃料電池１０の他の部分を測定しても良い。例えば、燃料電池スタックのケースの温度を測定するようにしてもよい。また、冷却水温度から第１燃料電池１０の状態を判断することも可能であるので、冷却水の温度を測定し第１燃料電池１０の運転の可否を判断してもよい。そして、第１燃料電池１０の運転の可否を判断する基準温度（本実施例では所定セル温度であり１０℃）は、適用するメイン電池観察手段の種類に応じて任意の温度を設定することができる。
【００７２】
そして、本実施形態では、外気温を判断基準として低温起動ルーチンを行うこととしたが、セル温度などその他の温度を基準としてもよい。
また、燃料電池の出力を燃料の供給量によって制御する例を示したが、酸化剤供給量を変化させることでも制御できる。
【００７３】
（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムとほぼ同じ構成を持つので、構成の説明は省略する。
第２実施形態に係る燃料電池システムは、温度測定装置が第１実施形態のものとは異なり、熱電対を一つだけ備え、外気温のみを測定している。また、燃料電池システムの起動時からの経過時間を測定するタイマを備えている。
そして、この燃料電池システムの制御動作は、低温下で起動した後に、第２燃料電池により暖機が完了したかどうかを第１燃料電池のセル温度の上昇により判定するのではなく、起動からの経過時間で判定することのみが第１実施形態に係る燃料電池システムと異なっている。
【００７４】
図７に第２実施形態に係る燃料電池システムにおける制御動作のフローチャートを示す。このフローチャート中では、第１実施形態と同じ制御動作には同じ符号を付してある。
使用者による起動信号により、制御回路が制御を始める。ステップＳ２００で外気温を測定し、ステップＳ２０１で外気温が０℃以下であると判定されるとステップＳ２０３に進み低温起動ルーチンを行う。
次に、ステップＳ５０４に進み、起動からの経過時間（ｔ１）を読み込む。次にステップＳ５０５で起動からの経過時間（ｔ１）と所定経過時間（ｔ２）とを比べる。起動からの経過時間（ｔ１）が所定経過時間（ｔ２）以上であると判定した場合はステップＳ２０２に進み定常運転モードである運転出力制御ルーチンを行う。
【００７５】
一方、ステップＳ５０５で、起動からの経過時間（ｔ１）が所定経過時間（ｔ２）未満であると判定した場合はステップＳ２０３に戻り、その後、経過時間（ｔ１）が所定経過時間（ｔ２）以上になるまで、ステップＳ２０３、Ｓ５０４、Ｓ５０５を繰り返す。やがて経過時間（ｔ１）が所定経過時間（ｔ２）以上になると、ステップＳ５０５で長時間であると判定され、ステップＳ２０２に進み運転出力制御ルーチンを行う。
【００７６】
ここで、所定経過時間とは、予め制御回路に記憶させた時間であって、第２燃料電池が第１燃料電池を運転可能なまでに暖めるのに必要十分な時間であって、第２燃料電池自身が熱くなりすぎ発電不可能となる時間よりも短い時間である。なお、外気温の低さにより所定経過時間（ｔ２）を何段階かに設定し、起動時の外気温の測定結果に応じて該当する所定経過時間（ｔ２）を選択することとしても良い。
【００７７】
第２実施形態に係る燃料電池システムでは、低温下では起動性のよい第２燃料電池のみを先に起動し、その発電から生じる熱によって第１燃料電池を暖機する。この暖機は燃料電池システムの起動と共に始まり、第１燃料電池が運転可能なまで暖められるのに必要十分な時間だけ継続され、その後、第１燃料電池を起動する。従って、低温下でも起動性に優れた燃料電池システムを提供できる。
【００７８】
（変形例）
第１実施形態では、メイン電池観察手段が、外気温及びセル温度を測定しその温度を基準として第１燃料電池の運転の可否を判断する外気温測定手段及びメイン電池温度測定手段であり、第２実施形態では、外気温測定手段及び起動からの経過時間を測定しその経過時間を基準として第１燃料電池の運転の可否を判断する時間計測手段であるが、他の物理量を測定して第１燃料電池の運転の可否を判断してもよい。例えば、第１燃料電池の電解質膜の電気伝導度を測定しその温度依存性から運転の可否を判断することも可能であるし、起動時からの第２燃料電池による発電量から第１燃料電池の運転の可否を判断することもできる。同様に低温起動時からのメタノール消費量を測定しその消費量から第１燃料電池の運転の可否を判断することもでき、また、起動時からの生成水の生成量を測定しその生成量から第１燃料電池の運転の可否を判断することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略ブロック図。
【図２】メタノール濃度検出制御装置が所定測定時間ごとに行うメタノール濃度調整制御動作のフローチャート。
【図３】メタノール水溶液の濃度とその凝固点の関係を示すグラフ。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムの動作制御のフローチャート（メインルーチン）。
【図５】図４中のステップＳ２０２の運転出力制御ルーチン（定常運転モード）で制御回路が行う制御動作を示すフローチャート。
【図６】図４のステップＳ２０３の低温起動ルーチンで制御回路が行う制御動作を示すフローチャート。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池システムの制御動作のフローチャート。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池システム
１０…第１燃料電池
１１…膜・電極接合体
１２…カソード側基板
１３…アノード側基板
１４…セル
１５…水流路（第１燃料電池水流路）
２０…第２燃料電池
２１…膜・電極接合体
２２…カソード側基板
２３…アノード側基板
２４…セル
２５…水流路（第２燃料電池水流路）
３１…メタノールタンク
３２…メタノール水溶液タンク
３３…メタノール濃度検出制御装置
３４…メタノール送液ポンプ
３５…メタノール燃料送液ポンプ
４０…冷却水回路
４１…冷却水タンク
４２…ラジエター
４３…水溜め
４４…冷却水送液ポンプ
４５…第１バルブ
４６…第２バルブ
４７…第３バルブ
５０…温度測定装置
５１…熱電対
５２…熱電対
６０…水素ガスタンク
６１…水素ガスバルブ
７０…加熱水回路
１００…制御回路
【図１】
2006012550.tif 000005
【図２】
2006012550.tif 000006
【図３】
2006012550.tif 000007
【図４】
2006012550.tif 000008
【図５】
2006012550.tif 000009
【図６】
2006012550.tif 000010
【図７】
2006012550.tif 000011